DE4231578A1 - Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche, typischerweise an Reifen, sowie Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche, typischerweise an Reifen, sowie Meßkopf zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Ver
formungen bzw. Spannungen an einem Prüfobjekt mit diffus
streuender Oberfläche, insbesondere an Reifen, sowie einen
Meßkopf zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE-OS 36 24 589 ist ein Verfahren zur Ermittlung von
Verformungen an Reifen bekannt, bei dem der Reifen ohne Felge
in einer Druckkammer angeordnet ist, in der unterschiedliche
Drücke eingestellt werden können. Von der mit einem Laser
beleuchtete Reifenoberfläche wird bei zwei unterschiedlichen
Drücken ein holographisches Interferenzbild erzeugt, welches
auf photothermoplastisches Filmmaterial in einer speziellen
Kamera aufgezeichnet wird.
Um die Schwingungsempfindlichkeit der Vorrichtung auszuschal
ten, wird der Reifen mit energiereichen, sehr kurzen Laser
impulsen beleuchtet.
Das bekannte Verfahren ist aufgrund der Notwendigkeit eines
gepulsten Lasers sehr aufwendig. Des weiteren liegt das Prüf
ergebnis als Interferogramm vor, dessen Auswertung nur von
geschultem Bedienungspersonal vorgenommen werden kann. Im
Falle der Überprüfung von Reifen auf Wiederverwendbarkeit
(Runderneuerung) ist der Reifen zunächst immer auf Felge
montiert. Da bei dem bekannten Verfahren die Innenfläche des
Reifens geprüft wird, muß der Reifen von der Felge abmontiert
werden. Der Arbeitsaufwand ist somit sehr hoch.
Aus der Veröffentlichung "Kohärent-optische Verfahren in der
Oberflächenmeßtechnik", H. J. Tiziani, tm Technisches Messen
58 (1991) 6, R. Oldenbourg Verlag, Seite 231 bis 234, ist
bekannt, zur Untersuchung von Verschiebungen in der Objekt
ebene einen Prüfling aus zwei unterschiedlichen Richtungen mit
kohärentem Licht zu beleuchten. Das von der Objektoberfläche
zurückgestreute Licht wird über ein Objektiv in einer CCD-
Kamera abgebildet. Dem vom Objekt zurückgestreuten Licht wird
eine kohärente Referenzwelle überlagert, welche in einzelnen
Schritten um π/2 verschoben werden kann. In der Bildebene
entsteht ein Specklemuster, welches in einem Rechner weiter
verarbeitet wird. Das Verfahren arbeitet mit kleinen Aperturen
und benötigt deshalb eine leistungsstarke Lichtquelle. Die
überlagerte Referenzwelle setzt eine erschütterungsfreie
Umgebung voraus, weshalb das Verfahren sich in einer typischen
Industrieumgebung, wie sie beispielsweise zur Prüfung von
Reifen gegeben ist, nicht eignet.
Aus der US-PS 4 660 978 ist ein Meßkopf bekannt, welcher zur
zur Vermessung von vorzugsweise optischen Komponenten dient.
Dabei wird gerichtetes Licht verwendet; die Meßgröße ist die
Abweichung der Wellenfront von einem Sollwert eines Prüfobjek
tes.
Der Meßkopf ist als Michelson-Interferometer ausgebildet, in
welchem die ankommende Wellenfront durch einen Strahlteiler in
zwei Teilwellen aufgeteilt wird. Die beiden Teilwellen werden
an zwei Spiegeln reflektiert und an dem Strahlteiler wieder
zusammengeführt. An der Austrittsseite des Michelson-Inter
ferometers ist ein Sensor-Array angeordnet. Durch minimales
Verkippen eines Spiegels mittels eines Piezo-Elements wird
eine Teilwelle verkippt; man erhält also zwei gegeneinander
verschobene Teilwellen, welche miteinander interferieren
können ("Shearing-Interferometer"). Der zweite Spiegel wird in
Richtung der optischen Achse in Schritten von π/2 verschoben.
Die von dem Sensor-Array aufgenommenen Signale werden in einem
Rechner weiterverarbeitet.
Der bekannte Meßkopf arbeitet mit gerichtetem Licht ohne
Abbildungsobjektiv zur Abbildung eines Prüfkörpers. Wegen der
fehlenden Apertur eines Objektives ist das Speckle-Prinzip
nicht wirksam.
In "Digitale Verarbeitung und Auswertung von Interferenzbil
dern", Wolfgang Osten, Akademie-Verlag, 1991, Seiten 61 bis
66, ist beispielsweise beschrieben, wie aus mehreren phasen
verschobenen Bildern mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen
ein Modulo-2π Bild erzeugt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und
schnelles Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem
Prüfobjekt mit diffus streuender Oberfläche zu schaffen, das
in Industrieumgebung anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch l
gelöst. Dieses Verfahren ist in den Patentansprüchen 2 bis 10
vorteilhaft weitergebildet. Das Verfahren läßt sich mit der
Vorrichtung nach Patentanspruch 11 durchführen. Bevorzugte
Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Patent
ansprüche 12 bis 25.
Bei einem bevorzugten Verfahren wird das Prüfobjekt mit kohä
rentem Licht bestrahlt und die vom Prüfobjekt zurückgestreute
Strahlung in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt. Die zwei Teil
strahlungen werden derart wieder zusammengeführt, daß die
beiden Teilstrahlungen leicht verkippt sind (Shearing-Effekt).
Die die Bildinformation tragenden Teilstrahlungen werden einem
elektronischen Bildsensorsystem zugeführt. Dabei wird das
Prüfobjekt durch abbildende Komponenten auf dem Bildsensor
abgebildet. Die auf den Bildsensor auftreffende Strahlung wird
nach einer A/D-Wandlung in digitale Signale umgewandelt. Die
Oberfläche des Prüfobjektes hat zunächst den Zustand 1, nach
einer aufgebrachten Verformung den Zustand 2. Die Aufzeichnung
des Oberflächenzustandes 1 erfolgt derart, daß in einer ersten
Bildfolge eine Teilstrahlung bezüglich der zweiten Teilstrah
lung schrittweise phasenverschoben wird. Die Bildfolge wird
typischerweise in dem temporären Speicher eines Rechners
abgelegt. Von dem Oberflächenzustand 2 wird in derselben Weise
eine zweite Bildfolge erzeugt. Die einzelnen Schritte der
ersten und der zweiten Bildfolge werden in einem Rechner zu
einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet.
Die eine Teilstrahlung kann in der ersten und in der zweiten
Bildfolge typischerweise in vier Schritten um jeweils π/2 oder
in drei Schritten um jeweils 2/3 π phasenverschoben werden. Es
sind auch eine andere Anzahl von Schritten möglich, wobei die
Schrittweite multipliziert mit der Anzahl der Schritte jeweils
2π ergeben muß.
Vorteilhafterweise werden die digitalen Signale der Schritte
der ersten Bildfolge zu einem Modulo-2π-Bild und die digitalen
Signale der Schritte der zweiten Bildfolge zu einem weiteren
Modulo-2π-Bild verarbeitet und die Differenz beider Modu
lo-2π-Bilder gebildet.
Es ist jedoch auch möglich, die Differenz zwischen den digi
talen Signalen eines Schrittes der ersten Bildfolge mit den
digitalen Signalen der entsprechen den Schritte der zweiten
Bildfolge zu einem Modulo-2π-Bild zu verarbeiten, wobei der
Verfahrensablauf auch ein Vertauschen der ersten Bildfolge mit
der zweiten Bildfolge zuläßt.
Durch die beschriebene Rechenprozedur ist es möglich, mit
abbildenden Komponenten mit großen Aperturen (z. B. 1 : 1,4) und
deshalb mit kohärenten Lichtquellen relativ geringer Leistung
(z. B. 30 mW) zu arbeiten. Typischerweise werden Laserdioden
verwendet, welche in einem Wellenlängenbereich zwischen 650 nm
und 850 nm arbeiten. Bildsensorsysteme sind in eben diesem
Wellenlängenbereich empfindlich.
Man erzielt sehr gute Ergebnisse, wenn die erste und die
zweite Teilstrahlung so versetzt werden, daß sich die Abbil
dungen zweier Punkte des Prüfobjektes in der Weise überlagern,
daß die Punkte auf dem Prüfobjekt einen Abstand zwischen 10
und 30 mm haben.
Wenn das Prüfobjekt ein auf einer Felge montierter Reifen ist,
kann die Verformung zwischen erster und zweiter Bildfolge
durch Änderung des Reifeninnendruckes herbeigeführt werden.
Der Reifen kann auch zum Kriechen stimuliert werden, bei
spielsweise durch Walken des Reifens. Ein nicht auf Felge
montierter Reifen kann Druckunterschieden in seiner Umgebung
ausgesetzt und dadurch eine Verformung herbeigeführt werden.
Das Ziel der aufzubringenden Verformung besteht immer darin,
Schwachstellen dadurch zu erkennen, daß solche Stellen eine
signifikant andere Verformung als die Umgebung aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr einfach durchführbar
und liefert ein hervorragendes Prüfergebnis, das in kürzester
Zeit beispielsweise auf einem Bildschirm darstellbar ist und
auch von wenig geschultem Bedienungspersonal interpretiert
werden kann. Das Verfahren ermöglicht die Anzeige der Diffe
renz der Verformung zweier benachbarter Punkte und damit
näherungsweise der im Maschinenbau wesentlichen mechanischen
Spannung. Darüberhinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren in
normaler Industrieumgebung durchführbar. Es ist in aller Regel
nicht erforderlich, die Prüfung in besonderen erschütterungs
freien Räumen durchzuführen. Schließlich ist das erfindungs
gemäße Verfahren gegenüber den bisher bekannten Verfahren zur
Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit diffus
streuender Oberfläche extrem wirtschaftlich, da die Herstell
kosten wegen der Verwendung von Serien-Kaufteilen niedrig
gehalten werden können und die Betriebskosten vor allem durch
den Wegfall von teuerem Verbrauchsmaterial (Film, Laserröh
re,etc.) ebenfalls niedrig sind.
Das Verfahren läßt sich vorteilhafterweise mit einer Vorrich
tung durchführen, die einen Meßkopf aufweist, der ein elek
tronisches Bildsensorsystem, abbildende Komponenten großer
Öffnung und eine Zweistrahl-Interferometer-Anordnung zur
Erzeugung einer ersten und zweiten Teilstrahlung enthält. Die
Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ist so ausgebildet, daß
eine Teilstrahlung zur zweiten Teilstrahlung verkippt und eine
Teilstrahlung phasenverschoben werden kann. Die aus dem Inter
ferometer austretende Strahlung wird dem Bildsensor zugeführt,
wobei durch zwischengeschaltete abbildende Komponenten auf dem
Bildsensor eine Abbildung des Prüfobjektes erzeugt wird. Die
abbildenden Komponenten können vor und/oder nach dem Inter
ferometer angeordnet sein. Die vom Bildsensorsystem aufgenom
menen Signale werden digitalisiert und einer zur weiteren
Bildverarbeitung ausgelegten Rechnereinrichtung zugeführt.
Ist die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ein Michelson-
Interferometer, wird die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strah
lung in zwei senkrecht zueinander stehende Teilstrahlungen mit
Hilfe eines Strahlteilers aufgeteilt. Die teilende Fläche des
Strahlteilers steht ca. 45° zur Richtung der zurückgestreuten
Strahlung. An zwei senkrecht zur jeweiligen Strahlrichtung der
Teilstrahlungen angeordneten Spiegeln wird die Strahlung in
sich reflektiert. Ein solcher Spiegel des Interferometers kann
in sehr kleinen Schritten längs der Strahlrichtung verschoben
werden (Phasenschiebung); der zweite Spiegel des Interferome
ters ist kippbar angeordnet. Es ist auch möglich, beide Funk
tionen (Phasenschiebung und Verkippung) mit einem einzigen
Spiegel durchzuführen. Damit kann die zweite Teilstrahlung
gegen die erste verkippt werden (Shearing). Die an den Spie
geln reflektierten Teilstrahlungen durchlaufen den Strahl
teiler und werden dort wieder zusammengeführt. Nach dem Aus
tritt aus dem Interferometer werden die Teilstrahlen dem Bild
sensorsystem zugeführt und nach Digitalisierung weiterver
arbeitet.
Ist die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung ein Luftspalt-
Interferometer, wird die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strah
lung an einem unter 45° gegen die einfallende Strahlrichtung
angeordneten Strahlteiler in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt.
Typischerweise ist der Strahlteiler eine planparallele Platte,
die auf der Eintrittsseite der zurückgestreuten Strahlung
entspiegelt ist und auf der Austrittsseite eine strahlteilende
Beschichtung (vorteilhafterweise ca. T:R = 60 : 40) aufweist.
Unmittelbar hinter der teilenden Fläche ist eine spiegelende
Fläche (typischerweise ein Planspiegel) angeordnet. Eine
Teilstrahlung wird an dem Strahlteiler senkrecht zur Einfalls
richtung reflektiert, die zweite Teilstrahlung durchläuft den
Strahlteiler und wird an der spiegelnden Fläche ebenfalls
senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert. An der teilenden
Fläche werden beide Teilstrahlungen wieder zusammengeführt und
treffen auf das Bildsensorsystem. Die teilende Fläche ist
kippbar angeordnet und dient zur Erzeugung des Shearing-Effek
tes. Die spiegelnde Fläche kann senkrecht zur spiegelnden
Fläche in kleinen Schritten verschoben werden (Phasenschie
bung). Diese Funktionen der teilenden und spiegelnden Flächen
sind austauschbar. Ferner sind beide Funktionen auch mit einem
einzigen Element (Teiler oder Spiegel) durchführbar.
Die Zweistrahl-Interferometer kann als Glaskeil ausgebildet
sein, dessen dem einfallenden Strahl zugewandte Fläche teil
verspiegelt (vorteilhafterweise ist T:R - ca. 60 : 40) und
dessen dem einfallenden Strahl abgewandte Fläche vollverspie
gelt ist und dessen Reflexionsflächen unter annähernd 45°
gegen die Richtung des einfallenden Strahls angeordnet sind.
An der teilverspiegelten Fläche wird die vom Prüfobjekt zu
rückgestreute Strahlung in zwei Teilstrahlungen aufgeteilt.
Die erste Teilstrahlung wird an der teilenden Fläche direkt
und annähernd senkrecht zur Einfallsrichtung reflektiert, die
zweite Teilstrahlung tritt in den Glaskörper ein und wird an
dessen vollverspiegelten Fläche reflektiert. Die zweite Teil
strahlung tritt an der teilenden Fläche annähernd senkrecht
zur Einfallsrichtung und gegen die erste Teilstrahlung ver
kippt aus (Shearing-Effekt). Der Glaskeil ist in der durch die
einfallende und reflektierte Strahlachse definierte Ebene
verschiebbar (Phasenschiebe-Effekt). An der teilenden Fläche
werden beide Teilstrahlungen wieder zusammengeführt und tref
fen auf das Bildsensorsystem.
Typischerweise bestehen die das Prüfobjekt abbildenden Kom
ponenten aus einem Objektiv großer Öffnung, welches vor dem
Bildsensorsystem angeordnet ist. Um eine Vignettierung durch
die Zweistrahl-Interferometer-Anordnung bei größeren Bildwin
keln (z. B. < 30°) zu vermeiden, kann eine Negativ-Optik vor
der Eintrittsseite des Interferometers zur Erweiterung des
Bildwinkels angeordnet werden. An der Eintrittsseite des Inter
ferometers kann auch eine ein Zwischenbild erzeugende Optik
vorgesehen werden. Das Zwischenbild wird dann von einem zwei
ten Objektiv auf den Bildsensor abgebildet.
In den Strahlengang kann vor oder hinter dem Interferometer
ein optisches Bandpaß- oder Kantenfilter eingesetzt werden,
welches vorzugsweise die Wellenlänge des vom Objekt zurückge
streuten Lichtes durchläßt und das Umgebungslicht abblockt.
Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in heller
Umgebung durchgeführt werden.
Zur Bestrahlung des Prüfobjektes werden vorteilhafterweise
eine oder mehrere Laserdioden im Bereich des Meßkopfes oder am
Meßkopf angeordnet. Die Form des Leuchtflecks auf dem Prüf
objekt kann durch vor den Dioden angeordnete Zylinderoptiken
verändert werden. Im Falle mehrerer Laserdioden werden auf dem
Prüfobjekt mehrere Leuchtflecke erzeugt. Jeder Leuchtfleck
stellt in sich ein interferenzfähiges System dar. Die abbil
denden Komponenten erzeugen auf dem Bildsensorsystem Abbildun
gen von einem oder mehreren Leuchtflecken. Damit können auch
Prüfobjekte, deren Oberfläche nur wenig Licht zurückstreut,
oder große Prüfobjekte untersucht werden. Dies ist beispiels
weise besonders bei der Prüfung von schwarzen Reifenoberflä
chen vorteilhaft.
Das elektronische Bildsensorsystem ist vorteilhafterweise eine
handelsübliche CCD-Kamera.
Die von dem Bildsensorsystem abgegebenen elektronischen Signa
le werden in handelsüblichen A/D-Wandlern digitalisiert und in
einem ebenfalls handelsüblichen Bildverarbeitungssystem wei
terverarbeitet. Das Bildverarbeitungssystem kann ein entspre
chend ausgebauter PC sein oder eine nur auf Bildverarbeitung
und nach geschaltete, bildverarbeitende Rechenoperationen
ausgelegte Hardware.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand
von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch den Strahlengang bei einem Verfahren zur
Ermittlung von Verformungen an einem Prüfobjekt mit
diffus streuender Oberfläche,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Meßkopfs zur
Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Ver
formungen,
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Meßkopfs zur
Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung von Ver
formungen,
Fig. 4 eine Frontansicht eines Prüfstandes zur Prüfung von
Reifen,
Fig. 5 eine geschnittene Seitenansicht des Prüfstandes von
Fig. 4,
Fig. 6 ein Modulo-2π-Bild eines schadhaften Reifens,
Fig. 7 ein Modulo-2π-Bild eines fehlerfreien Reifens.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von Ver
formungen an einem Prüfobjekt 10 mit diffus streuender Ober
fläche wird das Prüfobjekt 10 mit kohärentem Licht (aus einer
Lichtquelle oder aus mehreren Lichtquellen) beleuchtet. Die
Beleuchtung des Prüfobjektes 10 ist in Fig. 1 zur Vereinfa
chung anhand eines Lichtstrahls S dargestellt. Ebenfalls zur
Vereinfachung ist die Oberfläche des Prüfobjektes 10 als Punkt
P gekennzeichnet. Der Lichtstrahl S trifft in dem Punkt P auf
dem Prüfobjekt 10 auf. Das vom Prüfobjekt 10 zurückgestreute
Licht weist eine Speckle-Struktur auf. Zur Vereinfachung ist
die Streulichtstrahlung in Fig. 1 anhand einer Streuwelle SW
gezeigt. Die Streuwelle SW trifft auf eine strahlteilende
Fläche 14 eines Strahlteilers 12 auf. Eine Teilstrahlung TS1
wird an der strahlteilenden Fläche 14 reflektiert und trifft
auf einen ersten Planspiegel 16 auf. Der erste Planspiegel 16
ist senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar. Die
Teilstrahlung TS1 wird an dem ersten Spiegel 16 in sich re
flektiert und geht durch die strahlteilende Fläche 14 hin
durch.
Die strahlteilende Fläche 14 läßt eine zweite Teilstrahlung
TS2 der Streuwelle SW durch, die auf einen zweiten Planspiegel
18 auftrifft. Der zweite Planspiegel 18 ist kippbar angeord
net, so daß die Neigung seiner Reflexionsfläche zur strahl
teilenden Fläche 14 und zur Reflexionsfläche des Spiegels 16
verstellt werden kann. Die von dem zweiten Planspiegel 18
reflektierte Teilstrahlung TS2 wird an der strahlteilenden
Fläche 14 in Richtung des Objektivs 20 reflektiert, auf das
auch die Teilstrahlung TS1 auftrifft.
Die aus den beiden Planspiegeln und dem Strahlteiler beste
hende Anordnung entspricht im wesentlichen einem Michelson-
Interferometer, dessen einer Spiegel kippbar und dessen ande
rer Spiegel senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar
ist. Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch
mit einem einzigen Spiegel 16 oder 18 oder mit Hilfe des
Strahlteilers 12 durchführbar.
Durch das Objektiv 20 wird der Punkt P, von dem die in zwei
Teilstrahlungen TS1 und TS2 aufgeteilte Streuwelle SW ausgeht,
nach Durchlaufen einer Apertur 22 auf Aufzeichnungselemente 24
eines elektronischen Bildsensorsystems abgebildet. Dabei hat
die Apertur 22 vorteilhafterweise eine große Öffnung.
Durch entsprechende Neigung des zweiten Spiegels 18 wird die
Teilstrahlung TS2 an dem zweiten Spiegel 18 und an der strahl
teilenden Fläche 14 so reflektiert, daß sie nach ihrem Durch
tritt durch das Objektiv 20 seitlich versetzt zur Teilstrah
lung TS1 auf den Aufzeichnungselementen 24 auftrifft. In der
Ebene der Aufzeichnungselemente 24 entstehen somit zwei seit
lich versetzte Bilder des Prüfobjektes 10 (Shearing Effekt).
Aus der seitlichen Versetzung der Teilstrahlungen TS1 und TS2
folgt, daß das Bild des Punktes P auf dem Prüfobjekt 10,
welches durch die Teilstrahlung TS2 in der Ebene 24 gebildet
wird, und das Bild eines benachbarten Punktes C auf dem Prüf
objekt 10, welches durch die Teilstrahlung TS1 in der Ebene 24
gebildet wird, in der Ebene der Aufzeichnungselemente 24 über
lagert werden und bei Verwendung von kohärentem Licht inter
ferieren können (Shearing-Interferenz-Effekt).
Die von den Aufzeichnungselementen 24 empfangenen Signale
werden in einem A/D-Wandler 26 digitalisiert. Die digitalen
Signale werden einem Bildverarbeitungssystem 28 zugeführt und
dort zu Modulo-2π-Bildern verarbeitet.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
Neigung des zweiten Spiegels 18 bezüglich der teilenden Fläche
14 und des ersten Spiegels 16 auf einen vorherbestimmten Wert
eingestellt. Das Prüfobjekt 10 wird mit kohärentem Licht aus
einer Lichtquelle 36 oder mehreren Lichtquellen beleuchtet.
Während des ersten, unverformten Oberflächenzustandes des
Prüfobjektes 10 wird der erste Spiegel 16 schrittweise viermal
so verschoben, daß sich die Phase der von dem Spiegel 16 re
flektierten Teilstrahlung TS1 jeweils um π/2 verschiebt. In
einer ersten Bildfolge werden auf die Aufzeichnungselemente 24
also vier, jeweils um π/2 phasenverschobene Bilder des Prüf
objektes 10 abgebildet. Die von dem A/D-Wandler 26 dem Bild
verarbeitungssystem 28 zugeführten digitalen Signale der
Bilder der vorbeschriebenen Schritte werden durch das Bildver
arbeitungssystem 28 zu einem Modulo-2π-Bild verarbeitet.
Anschließend wird das Prüfobjekt 10 verformt und damit ein
zweiter, die Verformung wiedergebender Oberflächenzustand des
Prüfobjektes 10 erzeugt. Die weitere Vorgehensweise für eine
zweite Bildfolge entspricht dem für den ersten Oberflächenzu
stand bereits beschriebenen Ablauf.
Anschließend wird die Differenz der der ersten und der zweiten
Bildfolge entsprechenden Modulo-2π-Bilder gebildet. Das resul
tierende Modulo-2π-Bild ist die erste Form des Prüfergebnisses
und wird auf einem an das Bildverarbeitungssystem 28 ange
schlossenen Monitor angezeigt. Das resultierende Modulo-2π-
Bild kann dann in dem Bildverarbeitungssystem 28 mit bekannten
Algorithmen zu anderen Darstellungsformen weiterverarbeitet
werden.
In Fig. 2 ist die erste Ausführungsform eines Meßkopfes 29 zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Auf
einer Grundplatte 30, auf der ein lösbarer Gehäusedeckel 32
befestigt ist, ist eine den Bildwinkel vergrößernde Optik 34
in der Strahlführung der Streuwellen SW angeordnet. Vor der
Optik 34 ist ein Band- oder Hochpaßfilter (nicht gezeigt)
angeordnet, der so ausgelegt ist, daß er kein die Prüfung
störendes Umgebungslicht durchläßt.
An der Frontseite der Grundplatte 30 sind eine oder mehrere
Laserdioden 36 in einstellbaren Fassungen zur Beleuchtung des
Prüfobjektes angeordnet. Das von der Laserdiode oder den
Laserdioden 36 ausgestrahlte Licht ist transversal und longi
tudional single-modig und hat typischerweise eine Wellenlänge
zwischen 650 nm und 850 nm. Das Laserdioden-System kann auch
als eine von dem Meßkopf 29 unabhängige Einheit ausgebildet
sein.
In Einfallsrichtung der Streuwellen SW hinter der Optik 34 ist
ein Michelson-Interferometer angeordnet. Das Michelson-Inter
ferometer ist aus einem Strahlteiler 12 mit einer
strahlteilenden Fläche 14 und den beiden Spiegeln 16 und 18
aufgebaut. Die strahlteilende Fläche ist unter 45° zur Ein
fallsrichtung der Streuwellen SW angeordnet. Die Spiegel 16
und 18 sind so angeordnet, daß ihre Reflexionsflächen die
Ebene der strahlteilenden Fläche ca. unter 45° schneiden. Der
erste Spiegel 16 ist mit einem Piezoantrieb verbunden, durch
den der erste Spiegel 16 sehr genau senkrecht zu seiner Refle
xionsfläche verschoben werden kann. Der zweite Spiegel 18 ist
auf einer Spiegelhalterung 40 befestigt, die mittels zweier
Einstellschrauben 42 und 44 in zwei Achsen verkippt werden
kann. Hierdurch ist es möglich, die Neigung des zweiten Spie
gels 18 bezüglich der strahlteilenden Fläche 14 zu verstellen.
Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch mit
einem einzigen Spiegel 16 oder 18 oder mit Hilfe des Strahl
teilers 12 durchführbar.
An der Austrittsseite des Michelson-Interferometers, also
gegenüber dem ersten Spiegel 16, ist das Objektiv 20 einer
CCD-Kamera 46 angeordnet.
Die strahlteilende Fläche 14 ist so ausgebildet, daß sie die
auf sie auftreffende Streuwellen SW in die erste Teilstrahlung
TS1 und in die zweite Teilstrahlung TS2 (Fig. 1) teilt. Die
erste Teilstrahlung TS1 wird an der strahlteilenden Fläche 14
in Richtung des ersten Spiegels 16 reflektiert. Die am ersten
Spiegel 16 reflektierte Teilstrahlung TS1 geht durch die
strahlteilende Fläche 14 hindurch und trifft auf das Objektiv
20 der CCD-Kamera 46. Die zweite Teilstrahlung TS2 geht durch
die strahlteilende Fläche 14 hindurch und trifft auf den
zweiten Spiegel 18 auf. Die von dem zweiten Spiegel 18 reflek
tierte Teilstrahlung TS2 wird an der strahlteilenden Fläche 14
in Richtung des Objektivs 20 der CCD-Kamera 46 reflektiert.
Die CCD-Kamera 46 enthält neben dem Objektiv 20 die Aufzeich
nungselemente 24 (CCD-Array). Die von den Aufzeichnungselemen
ten 24 abgegebenen Analogsignale werden in einem A/D-Wandler
26 (Fig. 1) digitalisiert, der in einem Bildverarbeitungssystem
28 eingebaut ist.
Bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform des Meß
kopfes ist der Strahlteiler als eine planparallele, teildurch
lässige Platte 48 ausgebildet, welche unter ca. 45° zur Ein
fallsrichtung der Streuwellen SW angeordnet ist. Der Strahl
teiler 48 ist bezüglich der einfallenden Strahlung SW ver
kippbar. Hinter dem Strahlteiler 48 ist ebenfalls unter annä
hernd 45° zur Einfallsrichtung der Strahlung SW ein Planspie
gel 50 angeordnet, der wie der erste Spiegel 16 von Fig. 2
schrittweise senkrecht zu seiner Reflexionsebene verschiebbar
ist. Beide Funktionen (Verkippen und Verschieben) sind auch
mit einem einzigen Spiegel 50 oder mit Hilfe des Strahlteilers
48 durchführbar.
Der Strahlteiler 48 läßt eine Teilstrahlung TS1 der einfal
lenden Strahlung SW hindurch. Die Teilstrahlung TS1 wird am
Spiegel 50 in Richtung des Objektivs 50 der CCD-Kamera 46
reflektiert, wobei sie den Strahlteiler 48 nochmals durch
läuft. Die Teilstrahlung TS2 wird direkt vom Strahlteiler 48
an der dem Planspiegel 50 zugewandten Seite in Richtung des
Objektivs 20 reflektiert.
Durch die Anordnung des verkippbaren Strahlteilers 48 und des
Spiegels 50 ergibt sich derselbe Shearing-Effekt wie bei dem
Meßkopf 29 der Fig. 2. Die zweite Ausführungsform des Meßkop
fes hat gegenüber der ersten Ausführungsform den Vorteil, daß
nur ein Spiegel 50 neben dem Strahlteiler 48 erforderlich ist.
In den Fig. 4 und 5 ist ein Reifenprüfstand gezeigt, mit
dem es möglich ist, Beschädigungen an einem Reifen durch das
erfindungsgemäße Verfahren zu ermitteln. Der Reifenprüfstand
weist ein Gestell 52 auf, auf dem eine horizontale Achse 54 in
zwei Lagern 56 und 58 drehbar gelagert ist. An der Stirnseite
der Achse 54 ist ein Flansch 60 angeordnet, an dem eine Felge
62 befestigt werden kann. Auf der Felge 62 ist ein Reifen 64
montiert.
Auf beiden Seiten des Reifens 64 sind an dem Gestell 52 je
weils zwei vertikale Stützen 66 angeordnet, auf denen Träger
67 gelagert sind. An diesen Trägern 67 sind die Meßköpfe 29
schwenkbar montiert. Die Position der Meßköpfe 29 ist derart,
daß die optische Achse 68 etwa die Gürtelkante des Reifens 64
schneidet und der Winkel a zwischen der optischen Achse 68 und
der den Reifen tragenden Achse 54 vorzugsweise etwa 35° ist.
Die abbildenden Komponenten 34 und 20 sind vorzugsweise so
ausgelegt, daß der Meßkopf 29 einen Umfangsabschnitt des
Reifens 64 mit einem Winkel ß von etwa 45° erfaßt. Der gesamte
Reifenumfang kann also in acht Prüfzyklen erfaßt werden. Dazu
wird der Reifen 64 um seine Achse 54 schrittweise gedreht.
Die Verformung des Reifens 64 in den einzelnen Prüfzyklen
findet mit dem anhand von Fig. 1 beschriebenen erfindungs
gemäßen Verfahren statt. Dabei wird die Verformung durch eine
Änderung des Reifen-Innendrucks (Erhöhung oder Verminderung)
herbeigeführt. Die Größe der Innendruckänderung hängt vom
Reifentyp ab und kann fallweise eingestellt werden.
Weitere Meßköpfe können auch an anderer Stelle, z. B. im Wulst
bereich, positioniert werden. Des weiteren sind Anordnungen
möglich, den Reifen ohne Felge in einer Druckkammer zu prüfen.
Typischerweise ist ein Meßkopf oder sind mehrere Meßköpfe dann
im Bereich der Nabe angeordnet.
Die Fig. 6 und 7 zeigen resultierende Modulo-2π-Bilder
eines 45°-Abschnittes eines Reifens. Die resultierenden Modu-
10-2π-Bilder wurden nach dem anhand der Fig. 1 beschriebenen,
erfindungsgemäßen Verfahren erstellt.
Fig. 7 zeigt einen fehlerfreien Reifenabschnitt. Dies ist aus
dem konzentrischen Verlauf der Streifen S1 und S2 zu erkennen.
Fig. 6 zeigt einen fehlerhaften Reifenabschnitt. Dies ist
deutlich an der Unterbrechung A des Streifens S2 zu erkennen.
Die durch Änderung des Reifeninnendrucks hervorgerufene Ver
formung verläuft in dem Bereich A deutlich anders als im
übrigen Reifenabschnitt. Die Unterbrechung A resultiert aus
der unterschiedlichen Änderung der Verformung zweier benach
barter Punkte und indiziert somit näherungsweise einen kriti
schen Spannungsverlauf. Fig. 6 macht deutlich, das eine schad
hafte Stelle im Bereich der Gürtelkante auch von ungeschultem
Bedienungspersonal genau zu erkennen ist.
Claims (25)
1. Verfahren zur Ermittlung von Verformungen an einem Prüf
objekt mit diffus streuender Oberfläche, bei dem
- - das Prüfobjekt mit kohärentem Licht aus wenigstens einer Lichtquelle bestrahlt wird,
- - die vom Prüfobjekt zurückgestreute Strahlung in einem Zweistrahl-Interferometer in eine erste und eine zweite Teilstrahlung aufgeteilt wird,
- - in dem Zweistrahl-Interferometer eine Teilstrahlung gegen die andere Teilstrahlung verkippt wird,
- - in dem Zweistrahl-Interferometer eine Teilstrahlung schrittweise phasenverschoben wird,
- - die von dem Prüfobjekt zurückgestreute und in dem Zweistrahl-Interferometer in zwei Teilstrahlungen aufgeteilte und wieder zusammengeführte Strahlung über die Oberfläche des Prüfobjektes abbildende Komponen ten großer Öffnung einem elektronischen Bildsensorsystem zugeführt wird,
- - die von dem Bildsensorsystem abgegebenen Signale digitalisiert und in einem Bildverarbeitungssystem zu einem Modulo-2π-Bild weiterverarbeitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das das Prüfobjekt bestrahlende Licht eine Wellenlänge von
650 nm bis 850 nm hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Teilstrahlungen mittels abbildender Kom
ponenten so verkippt werden, daß mittels abbildender Kom
ponenten zwei seitlich versetzte Bilder des Prüfobjektes
auf dem Bildsensorsystem entstehen, wobei zwei benachbarte
Bildpunkte des Prüfobjektes überlagert werden, die um 10
bis 30 mm versetzt sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die eine Teilstrahlung in vier Schritten um
jeweils π/2 phasenverschoben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die eine Teilstrahlung in drei Schritten um
jeweils 2/3 π phasenverschoben wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß in einer ersten Bildfolge schrittweise
phasenverschobene Bilder der unverformten Prüfobjektober
fläche hergestellt und zu einem ersten Modulo-2π-Bild
verrechnet werden und in einer zweiten Bildfolge
schrittweise phasenverschobene Bilder der verformten
Prüfobjektoberfläche hergestellt und zu einem zweiten
Modulo-2π-Bild verrechnet werden und aus der Differenz der
beiden Modulo-2π-Bilder ein resultierendes Modulo-2π-Bild
errechnet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein erstes Bild der unverformten Prüfobjekt
oberfläche hergestellt und abgespeichert wird und in einer
Bildfolge schrittweise phasenverschobene Bilder der ver
formten Prüfobjektoberfläche hergestellt werden und aus dem
ersten Bild mit den Bildern der Bildfolge ein Modulo-2π-
Bild errechnet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß in einer Bildfolge schrittweise phasenver
schobene Bilder der unverformten Prüfobjektoberfläche
hergestellt und abgespeichert werden und ein weiteres Bild
der verformten Prüfobjektoberfläche hergestellt wird und
aus den Bildern der Bildfolge und dem weiteren Bild ein
Modulo-2π-Bild errechnet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß durch abbildende Komponenten auf dem
Bildsensorsystem unmittelbar ein Bild der Prüfobjektober
fläche abgebildet wird oder ein solches Bild über eine
Zwischenabbildung hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
abbildenden Komponenten eine so große Öffnung haben, daß
die entstehenden Speckle kleiner sind als die Größe eines
Einzelaufzeichnungselementes des Bildsensorsystems.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis 10,
- - mit einer Beleuchtungseinheit (36) mit wenigstens einer Laserdiode zur Beleuchtung des Prüfobjektes (10),
- - mit einem Meßkopf (29) der
- - ein Zweistrahl-Interferometer, dem die vom Prüfobjekt (10) zurückgestreute Strahlung zugeführt wird und das so ausgebildet ist, daß eine in diesem Zweistrahl-Inter ferometer erzeugte Teilstrahlung (TS1) schrittweise phasenverschoben und gegen eine zweite Teilstrahlung (TS2) verkippt werden kann,
- - ein Bildsensorsystem (46) und
- - wenigstens eine die Oberfläche des Prüfobjektes (10) auf ein elektronisches Bildsensorsystem (46) abbildende Komponenten (34,20) enthält, und
- - mit einem Bildverarbeitungssystem, bestehend aus
- - einem A/D-Wandler (26) zur Digitalisierung der von dem Bildsensorsystem (46) abgegebenen Signale, und
- - einer Bildverarbeitungseinheit (28), deren Hardware und Software so ausgebildet ist, daß die digitalisierten Signale zu einem Modulo-2π-Bild verrechnet werden kön nen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beleuchtungseinheit (36) eine eigenständige Einheit
ist oder an dem Meßkopf (29) montiert werden kann und die
Laserdiode justierbar angeordnet ist und an ihrer Licht
austrittsseite eine sphärische und/oder zylindrische Optik
zur Gestaltung eines Leuchtflecks auf dem Prüfobjekt (10)
angebracht ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß das zweistrahl-Interferometer als Michelson-
Interferometer ausgebildet ist, bei dem die vom Prüfobjekt
(10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (12)
in eine erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufge
teilt wird und die erste Teilstrahlung (TS1) an einem er
sten, senkrecht zu seiner Reflexionsebene verschiebbaren
Spiegel (16) reflektiert wird und dann durch die strahl
teilende Fläche (14) des Strahlteilers (12) hindurchtritt
und die zweite Teilstrahlung (TS2) an einem zweiten, ver
kippbaren Spiegel (18) reflektiert wird und dann an der
strahlteilenden Fläche (14) des Strahlteilers (12) re
flektiert wird und die an der strahlteilenden Fläche (14)
wieder zusammengeführten Teilstrahlungen (TS1, TS2) dem
Bildsensorsystem (46) zugeführt werden.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß das Zweistrahl-Interferometer als Michelson-
Interferometer ausgebildet ist, bei dem die vom Prüfobjekt
(10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (12)
in eine erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufge
teilt wird und die erste Teilstrahlung (TS1) an einem er
sten Spiegel (16) reflektiert wird und dann durch die
strahlteilende Fläche (14) des Strahlteilers (12) hin
durchtritt und die zweite Teilstrahlung (TS2) an einem
zweiten (18) reflektiert wird und dann an der strahltei
lenden Fläche (14) des Strahlteilers (12) reflektiert
wird und die an der strahlteilenden Fläche (14) wieder
zusammengeführten Teilstrahlungen (TS1, TS2) dem Bildsen
sorsystem (46) zugeführt werden, wobei einer der Spiegel
(16, 18) oder der Strahlteiler (12) sowohl verkippbar als
auch verschiebbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß das Zweistrahl-Interferometer als Luftspalt-In
terferometer ausgebildet ist, wobei die vom Prüfobjekt
(10) zurückgestreute Strahlung an einem Strahlteiler (48),
dessen strahlteilende Fläche unter etwa 45° gegen die
Richtung der einfallenden Strahlung angeordnet ist, in die
erste und zweite Teilstrahlung (TS1, TS2) aufgeteilt wird
und die erste Teilstrahlung (TS1) nach Durchtritt durch
den Strahlteiler (48) an einem ebenfalls unter etwa 45°
angeordneten Planspiegel (50) reflektiert wird und nach
einem weiteren Durchtritt durch den Strahlteiler (48) dem
Bildsensorsystem (46) zugeführt wird und die zweite Teil
strahlung (TS2) direkt an dem Strahlteiler (48) reflek
tiert und dem Bildsensorsystem (46) zugeführt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahlteiler (48) verkippbar und der Planspiegel (50)
senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der Planspiegel (50) verkippbar und der Strahlteiler (48)
senkrecht zu seiner Reflexionsfläche verschiebbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
der Planspiegel (50) oder der Strahlteiler (48) sowohl
verkippbar als auch senkrecht zu seiner Reflexionsfläche
verschiebbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeich
net, daß das Zweistrahl-Interferometer als keilförmige
Glasplatte ausgebildet ist, welche etwa unter 45° gegen
die Richtung der einfallenden Strahlung angeordnet ist,
deren dem einfallenden Licht zugewandte Fläche teilver
spiegelt und deren dem einfallenden Licht abgewandte
Fläche vollverspiegelt ist, und die in der durch die
einfallende reflektierte Strahlachse definierten Ebene
verschiebbar ist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (12, 48) ein Tei
lerwürfel oder eine planparallele oder keilförmige Platte
ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekenn
zeichnet durch eine abbildende Komponente, die von einem
vor dem Zweistrahl-Interferometer oder vor dem Bildsensor
system (46) angeordneten Objektiv (20, 34) gebildet wird.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, gekenn
zeichnet durch eine abbildende Komponente, die von einem
vor dem Bildsensorsystem (46) angeordneten Objektiv (20)
gebildet wird und durch eine weitere abbildende Komponen
te, die von einem vor dem Zweistrahl-Interferometer an
geordneten Objektiv (34) gebildet wird und ein reales oder
virtuelles Zwischenbild von dem Prüfobjekt (10) entwirft,
welches dann von dem Objektiv (20) der einen abbildenden
Komponente auf Aufzeichnungselemente (24) des Bildsensor
systems (46) abgebildet wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, daß das elektronische Bildsensorsystem
(46) eine CCD-Kamera ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang ein optisches
Band- oder Hochpaßfilter angeordnet ist, wobei das Filter
die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls hindurchläßt und
das Umgebungslicht abblockt.
25. Vorrichtung einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Bildverarbeitungssystem (28) ein mit
einer Bildverarbeitungskarte und A/D-Wandler ausgerüsteter
PC ist oder ein in sich geschlossenes Bildverarbeitungs-
Rechensystem ist, welches das Programm in einem EPROM
enthält und welches nur die zur Bildverarbeitung notwen
digen Rechenoperationen durchführt.
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